I n d on e s i an   Jo u r n al   o El e c t r i c al   En gi n e e r i n g   an d   C o m p u te r   S c i e n c e   V o l .   41 ,   N o .   2 F e b r ua r 20 26 ,   pp .   478 ~ 4 93   IS S N :   2 502 - 4 7 52 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j e e cs .v 41. i 2 . pp 478 - 493             478     Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e e cs . i a e s c or e . c om   A n   i n v e st i g a t i o n   o f   d i f f e r e n t   l o w - p o w e r   c i r c u i t a n d   e n h a n c e d   e n e r g y   e f f i c i e n c y   i n   m e d i c a l   a p p l i c a t i o n s       P r ab h u   R . ,   S i v ak u m ar   R ajago p al   D e p a rt m e n t   o S e n s o r   a n d   B i o m e d i c a l   T e c h n o l o g y ,   S c h o o l   o f   E l e c t ro n i c s   E n g i n e e ri n g ,   V e l l o r e   In s t i t u t e   o f   T e c h n o l o g y ,   V e l l o r e ,   In d i a       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e M a y   5 2 024   R e v i s e N o v   13 2025   A c c e pt e D e c   13 2 025       T hi s   r e s e a r c h   i nv e s t i g a t e s   t he   a ppl i c a t i o n   o f   l o w - po w e r   c i r c ui t s   i m e di c a l   de v i c e s   a nd  i m a g i ng   s y s t e m s .   T he   p r i m a r y   go a l   i s   t o   a dd r e s s   t h e   g r o w i ng  de m a nd   f o r   e n e r g y - e f f i c i e nt   s o l ut i o ns   i n   m e d i c a l   a pp l i c a t i o ns .   T h e r e   i s   a n   i nc r e a s i ng   ne e f o r   e ne r g y - e f f i c i e nt   s o l u t i o ns   due   t o   t h e   de v e l o pm e nt   o f   m e di c a l   t e c hno l o g i e s ,   pa r t i c ul a r l y   i m pl a nt e d   a nd   b a t t e r y - o pe r a t e d   m e di c a l   de v i c e s .   T h i s   p a pe r   e xp l o r e s   t he   i nt e g r a t i o o f   a d i a b a t i c   l o g i c   a s   a   c r i t i c a l   e na b l e r   f o r   a c hi e v i ng   l o w   po w e r   c o ns um pt i o i n   m e d i c a l   a ppl i c a t i o ns .   T h e   s t udy   l o o ks   i nt o   di f f e r e nt   l o w - po w e r   c i r c ui t   d e s i g ns   a nd   t e c hno l o g i e s   t h a t   o pt i m i z e   po w e r   us a g e   w i t ho ut   s a c r i f i c i ng   p e r f o r m a nc e .   A di a ba t i c   c i r c ui t s   o f f e r   a   p r o m i s i ng   s u bs t i t u t e   f o r   c o nv e nt i o na l   c i r c u i t r y   i l o w - e ne r g y   de s i g n.   T he   r e s e a r c h   e x a m i n e s   s e v e r a l   l o w - po w e r   c i r c ui t   de s i g ns   a n d   t e c hno l o g i e s   t ha t   m a x i m i z e   po w e r   e f f i c i e nc y   w i t ho ut   c o m pr o m i s i ng   f unc t i o na l i t y .   I l o w - e ne r g y   de s i g n,   a d i a b a t i c   c i r c ui t s   pr e s e nt   a   po s s i b l e   a l t e r n a t i v e   t o   t r a d i t i o na l   c i r c ui t r y .   A di a ba t i c   l o g i c   a i m s   t o   c r e a t e   e ne r gy - e f f i c i e nt   d i g i t a l   c i r c ui t s   t ha t   c o ns um e   s i g ni f i c a nt l y   l e s s   po w e r   t ha c o nv e nt i o na l   c o m pl e m e n t a r y   m e t a l - o xi de - s e m i c o nduc t o r   ( C M O S )   c i r c ui t s .   W e   a c c o m pl i s t hi s   by   r e c ov e r i ng   a nd  r e c y c l i ng   e ne r g y   t ha t   w o ul o t h e r w i s e   be   l o s t   a s   he a t   a nd   c a r e f ul l y   c o nt r o l l i ng   e n e r g y   f l o w s   dur i ng   s w i t c h i ng   e v e nt s .   A di a ba t i c   l o g i c   i s   pr e c i o us   i ba t t e r y - o pe r a t e a nd   e ne r g y - c o ns t r a i ne d e v i c e s .   Ke y w or ds :   A dde r   c i r c u i t s   A di a b a t i c   l o gi c   B a t t e r y   l i f e   CM O S   l o gi c   E n e rgy   c o n s um pt i o n   L ow   pow e r   t e c hni que s   P ow e r   d i s s i pa t i o n   T hi s   i s   an   ope n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e ns e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   S i v a kum a R a j a go pa l     D e pa rt m e n t   o f   S e n s o r   a n B i o m e di c a l   E n gi n e e r i n g ,   S c h o o l   o f   E l e c t r o n i c s   E ngi n e e r i n g ,   V e l l o r e   I n s t i t u t e   o f   T e c hn o l o g y   V e l l o r e ,   I ndi a   E m a i l :   r s i v a kum a r@ v i t . a c . i n       1.   I N TR O D U C TI O N   T h e   c o n t i n uo us   e vo l ut i o o f   m e di c a l   t e c hn o l o gi e s   h a s   p r o pe l l e t h e   de v e l o pm e n t   o f   s o ph i s t i c a t e d   de v i c e s   t h a t   p l a y   a   pi v o t a l   r o l e   i n   p a t i e nt   m o n i t o ri n g ,   di a g no s t i c s ,   a n t h e ra pe ut i c   i n t e r v e n t i o n s .   I n   po r t a b l e ,   i m p l a nt a b l e ,   a n b a t t e r y - o p e r a t e m e di c a l   de v i c e s ,   e n e r gy   e ff i c i e n c y   i s   pa ra m o u n t   f o r   pr o l o nge o pe r a t i o n,   r e duc e i n t e r v e n t i o n,   a n d   e nha n c e pa t i e n t   c o m f o r t   [ 1 ].   T h i s   p a pe i n v e s t i ga t e s   i nt e g r a t i ng   l o w - pow e r   t e c hn i q ue s ,   w i t a   s pe c i f i c   e m p h a s i s   o a d i a b a t i c   l o gi c ,   t o   a d d r e s s   t h e   g r o w i n g   e n e rgy   c h a l l e n ge s   i t h e   m e di c a l   do m a i n.   T h e   c ha l l e n ge   o f   r e duc i n g   po w e r   c o n s u m pt i o n   i n   m e di c a l   de v i c e s ,   w h i c i s   c ri t i c a l   f o r   e xt e n di ng  b a t t e r y   l i f e   a n i m p r o v i n p a t i e nt   c o m fo r t .   A di a b a t i c   l o gi c ,   di s t i n gu i s h e by   i t s   c a pa c i t y   t o   r e duc e   e n e r gy   di s s i pa t i o n   du ri n g   l o gi c   o pe r a t i o n s ,   o f fe r s   a   po t e n t i a l l y   a dv a n t a ge o us   a pp r o a c h   t o   a t t a i n i ng  n o t a b l e   de c r e a s e s   i n   po w e r   c o n s um pt i o n   i m e di c a l   e qu i p m e nt .   D e s pi t e   b e i ng  w i de l y   us e d,   c o n v e n t i o na l   c o m pl e m e n t a r y   m e t a l - o xi de - s e m i c o n duc t o ( CM O S c i r c u i t ry   f r e que n t l y   ha s   po w e r   e ff i c i e n c y   i s s ue s ,   m a i nl y   w h e n   l o n ge r   b a t t e r y   l i f e   i s   e s s e n t i a l   [ 2 ].   T h e r e   a r e   s t i l l   pr o b l e m s   t ha t   n e e t o   b e   ha n dl e d ,   s uc h   a s   t h e   r e qui r e m e nt   f o r   m o r e   po w e r   c o n s um p t i o r e du c t i o n   a n d   b e t t e r   c o m po n e nt   i nt e g r a t i o n   f o r   do w n s i z i n g ,   de s pi t e   t h e s e   a dv a n c e s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52         A n   i n v e s t i ga t i on  o f   di f f e r e nt   l ow - po w e r   c i r c ui t s   and   e nhan c e e n e r gy   e f f i c i e n c y   i m e di c al     ( P r abhu  R . )   479   A di a b a t i c   l o gi c   i s   a   de s i ra b l e   o pt i o n   f o r   e n e r gy - s e n s i t i v e   m e di c a l   a pp l i c a t i o n s   s i n c e   i t   i s   de s i g n e t o   m i ni m i z e   dy n a m i c   po w e r   d i s s i p a t i o n   du r i ng  c ha r gi ng  a n d   di s c h a r g i n g   c y c l e s   [ 3 ].   T o   e nha n c e   t h e   f un c t i o na l i t y   of   t h e s e   c i r c ui t   de s i g n s ,   s pe c i f i c   de s i g a pp r o a c h e s   a r e   us e d   n o w a da y s   t o   p r e s e r v e   t h e   c i r c ui t ' s   s c a l a b i l i t y   a n d   de pe n da b i l i t y   w i t h o ut   s a c ri f i c i ng  t h e i o r i gi na l   c ha r a c t e r i s t i c s .   T h e   ge n e ra l   b e n e f i t s   o f   h a v i n g   a   c i r c ui t   m o de l   b a s e o n   V L S I’s   a r e   s h o w n   i F i g u r e   1   [ 4 ].           F i gu r e   1 .   M e r i t s   o f   V L S de s i gn       F ul l   a dde r   c i r c ui t s   a r e   v i t a l   c o m po n e n t s   o f   di gi t a l   s y s t e m s   b e c a us e   t h e y   c a r ri e o ut   t h e   c r uc i a l   a ddi t i o a ri t hm e t i c   f u n c t i o n.   T h e y   a r e   a n   i m po r t a nt   a r e a   o f   s t udy   fo r   l o w - p ow e r   de s i gn  t e c hni que s   b e c a us e   of  t h e i r   e f f i c i e n c y   a n pe r f o r m a n c e ,   w h i c h   ha v e   a   d i r e c t   i m p a c t   o t h e   t o t a l   e n e r gy   c o n s um p t i o n   a nd  c o m put a t i o n a l   s pe e o f   di gi t a l   c i r c u i t s .   T h e   e n e r gy - s e n s i t i v e   us e s   of   c o n v e n t i o na l   CM O S - b a s e f ul l   a dde de s i gn s   a r e   l i m i t e d ,   p a r t i c ul a rl y   w h e n   i t   c o m e s   t o   i m pl a n t a b l e   a n d   po rt a b l e   m e di c a l   de v i c e s ,   b e c a us e   of   t h e   c o n s i de r a b l e   po w e r   di s s i pa t i o c a us e by   s t a t i c   a nd  dy n a m i c   po w e r   c o m po n e n t s .   B y   ut i l i z i n e n e r gy   r e c ov e r y   t e c hn i que s   t o   r e duc e   d y n a m i c   po w e r   di s s i p a t i o du ri n g   s w i t c h i ng  t r a n s i t i o n s ,   a d i a b a t i c   l o gi c   c i r c ui t s   p r e s e nt   a   v i a b l e   s ub s t i t ut e   f o r   t r a di t i o na l   CM O S   l o gi c .   I o r de t o   r e duc e   po w e r   c o n s um pt i o a nd  h e a t   ge n e r a t i o n,   a d i a b a t i c   c i r c ui t s   w o r by   t ra n s f e rr i n g   e n e r gy   b e t w e e n   t h e   c i r c ui t ' s   c a p a c i t a n c e   a n d   i n duc t a n c e   c o m po n e n t s .   B e c a us e   of   t h i s ,   a d i a b a t i c   l o gi c   i s   a   po pul a o pt i o f o r   l o w - pow e r   di g i t a l   c i r c ui t   de s i gn  s ui t e f o r   e n e r gy - e ff i c i e n t   m e di c a l   e qui pm e n t   [ 5 ] .   T h i s   i s   h o w   t h e   pa pe r   i s   s t ruc t u r e d:   l o w   pow e r   p r i n c i pl e s   a r e   f o l l ow e by   di ffe r e n t   l e v e l s   o f   l o w   pow e r   t e c hni que s   a n d   t h e   de s i g n   o f   l o w   pow e r   s t r a t e gi e s .   T h e   f o l l ow i n g   s e c t i o n   di s c us s e s   v a r i o us   t y p e s   of  a di a b a t i c   l o gi c   a n d   h o w   t h e y   o p e r a t e .   It   a l s o   p r o v i de s   a   l i t e r a t u r e   r e v i e w   a n d   a na l y s i s .   T h e   c o n c l us i o n   i n c l ude s   a   di s c us s i o o f   t h e   p r o c e dur e   a n d   r e s ul t s .   L a s t l y ,   t h e   pa pe r' s   c o n c l us i o a n n e x t   s t e ps   a r e   d i s c us s e d.       2.   LO W   P O WER   C O N C EP TS   P ow e r   di s s i pa t i o i s   a   p ri m a r y   c o n c e rn   i n   m a n y   a ppl i c a t i o n s ,   p a r t i c ul a rl y   t h o s e   b a s e o n   hi g h - pe r f o r m a n c e ,   po r t a b l e ,   b a t t e r y - o p e r a t e de v i c e s .   P o w e r   di s s i pa t i o i s   t h e   r a t e   a t   w hi c e n e r gy   i s   t a ke f r o m   t h e   s o ur c e   a nd  c o n v e r t e i nt o   h e a t   (e l e c t ri c a l   e n e r gy   i s   c o n v e r t e i n t o   h e a t   e n e r gy   dur i ng  o pe r a t i o n ) .   I CM O S   c i r c ui t s ,   po w e r   d i s s i pa t i o o c c ur s   i n   t w o   w a y s :   d y na m i c   a nd   s t a t i c ,   a s   s h o w n   i F i gu r e   2 .   Ci r c ui t   s w i t c h i n g   i s   t h e   s o ur c e   o f   d y n a m i c   po w e r   d i s s i p a t i o n .   A   g r e a t e w o r ki n g   f r e que n c y   c a us e s   t h e   c i r c u i t s   t o   s w i t c h   O N   a n d   O F F   m o r e   f r e que n t l y ,   w h i c i n c r e a s e s   po w e di s s i pa t i o n.   R a t h e t ha b e i n g   t i e t o   c ha n gi ng  o pe r a t i o n s ,   s t a t i c   po w e r   d i s s i pa t i o i s   r e l a t e d   t o   t h e   l o gi c a l   s t a t e s   o f   t h e   c i r c ui t s .   L e a ka ge   c u rr e n t   i s   t h e   s o l e   c a us e   of   s t a t i c   pow e r   di s s i pa t i o n   i n   CM O S   l o gi c .   H ow e v e r ,   s t a t i c   c urr e n t   d ra w i n c a n   o c c ur   w h e n   t h e r e   a r e   s po r a di c   de pa r t u r e s   f r o m   t h e   r i g i d   CM O S   s t y l e   l o gi c   [ 6 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   41 ,   N o .   2 F e b r ua r y   20 26 4 78 - 493   480       F i gu r e   2 .   T y pe s   of   pow e r   c o n s um pt i o n       2. 1 .     S tati c   p o w e r   d i s s i p at i o n   S t a t i c   po w e r ,   s o m e t i m e s   c a l l e qu i e s c e n t   m o de ,   i s   us e w i t h o ut   c i r c ui t   a c t i v i t y .   S t a t i c   po w e r   c o n s um pt i o n   i s   t h e   a m o unt   o f   e n e r gy   a   c i r c ui t   w i l l   n e e e ve n   i f   t h e   c l o c ks   a r e   r e m o v e d,   a nd  t h e   i nput s   a r e   l e f t   un c h a nge w h e t h e   s upp l y   v o l t a ge   i s   t h e r e .   L e a ka ge   c urr e nt s   t ha t   f l o w   w h i l e   t h e   t ra n s i s t o r   i s   o f f - s t a t e   a r e   m o s t l y   t o   b l a m e .   T h e   f o r m u l a   f o r   s t a t i c   po w e r   d i s s i pa t i o ( P s t a t i c i s   o f t e n   e xp r e s s e a s   ( 1 ) .     =      (1)     W h e r e   I L eak   i s   t h e   l e a ka ge   c u rr e nt   V DD   i s   t h e   s upp l y   vo l t a ge   V a r i o us   f o r m s   o f   l e a ka ge   c urr e n t   e xi s t   i n   c i r c u i t s ;   s ub - t hr e s ho l l e a ka ge   c u rr e n t   a ri s e s   w h e n   c u rr e n t   f l ow s   be t w e e n   t h e   s o ur c e   a n t h e   d ra i n.   T h i s   i s   t h e   m a i n   s o ur c e   of   pow e r   t ha t   i s   s t a t i c .   T h e   ga t e - to - bo d y   s ub s t r a t e   i s   w h e r e   t h e   n e xt   ga t e   l e a k a ge   c urr e nt   o c c ur s .   T h e   f i n a l   o n e   i s   j un c t i o n   l e a k a ge   c urr e nt ,   w h i c h   f l o w s   f r o m   t h e   b o d y ' s   s o ur c e   t o   i t s   s ub s t ra t e .   L e a ka ge   c urr e nt   p a s s i n v i a   t h e   r e v e r s e   b i a s   j u n c t i o n   o f   t r a n s i s t o r s   i s   t h e   c a us e   o f   s t a t i c   po w e r   d i s s i pa t i o n ,   a s   s h o w n   i F i gu r e   3 .   A t   r o o m   t e m pe ra t u r e ,   t h e   l e a k a ge   c u rr e n t   pe u ni t   dra i s u r f a c e   ra n ge s   t y pi c a l l y   f r o m   10   t o   100p   A / µ m 2 .   If   w e   r e duc e   t h e   s t a t i c   po w e r   di s s i pa t i o n ,   w e   h a v e   t o   a dj us t   t h e   t r a n s i s t o r   s i z e s   a nd  i n c r e a s e   t h e   t hr e s h o l v o l t a ge ,   w h i c h   c a h e l m i ni m i z e   s ub t hr e s h o l d   l e a ka ge .   U s e   s t ra t e gi e s   s uc a s   po w e r   ga t i n g ,   w hi c h   e n t a i l s   s hut t i n g   do w n   po r t i o n s   o f   t h e   c i r c ui t   w h e n   i t ' s   n o t   i n   us e .   T hi s   r e duc e s   l e a ka ge   i n   t h o s e   pl a c e s   b y   c ut t i n g   t h e   po w e r   s upp l y   t o   pa s s i v e   b l o c ks   o r   m o dul e s   [ 7 ] .           F i gu r e   3 .   L e a ka ge   c urr e nt s   i n   CM O S   i n v e rt e r         2. 2 .     D yn am i c   p o w e r   d i s s i p at i o n   D y n a m i c   po w e r   d i s s i p a t i o ha ppe n s   w h e e l e c t r o n i c   c o m po n e nt s ,   s uc a s   t r a n s i s t o r s   i di g i t a l   c i r c ui t s ,   a r e   a c t i v e l y   s w i t c h e d.   T h e   c h a rgi n g   a n d   di s c ha r g i n g   o f   c a pa c i t i v e   l o a ds   a r e   c o nn e c t e t o   t h e   de v i c e ' s   a l t e rna t i n l o gi c   s t a t e .   T h e   s h o r t   c i r c ui t   po w e r   i s   p r e s e n t ,   w h i l e   t h e   N M O S   a n P M O S   n e t w o r ks   a r e   o n l y   pa r t i a l l y   o pe r a t i o na l .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52         A n   i n v e s t i ga t i on  o f   di f f e r e nt   l ow - po w e r   c i r c ui t s   and   e nhan c e e n e r gy   e f f i c i e n c y   i m e di c al     ( P r abhu  R . )   481   W h e n e v e r   i nput   s i g n a l s   i t h e   c i r c ui t   a r e   c h a n ge d   i t s   s t a t e   w i t t i m e ,   a n d   i t   c a us e s   s o m e   po w e r   di s s i pa t i o n.   D y n a m i c   po w e r   i s   r e qu i r e d   t o   c h a rgi n g   a n d   d i s c h a r g i n g   t h e   l o a c a pa c i t a n c e   w h e t ra n s i s t o r   i n put   s w i t c h e s .   W h e n   t h e   i n pu t   s w i t c h e s   f r o m   t o   t h e   P M O S   t r a n s i s t o r   (P U L L   U P   n e t w o r k)  t u rn s   O N   a nd  c h a rge s   t h e   l o a d   t o   V D D .   A n d   t ha t   t i m e   e n e r gy   s t o r e i t h e   c a pa c i t a n c e   i s :      = 1 2    2   (2)     T h e   e n e r gy   de l i v e r e f r o m   t h e   po w e r   s uppl y   i s :      =    2   (3)     O b s e r v e t ha t   o nl y   h a l f   o f   t h e   e n e rgy   f r o m   t h e   po w e r   s upp l y   i s   s t o r e i n   t h e   c a p a c i t o r.   T h e   o t h e ha l f   i s   di s s i p a t e (c o n v e r t e d   t o   h e a t )   i t h e   P M O S   t ra n s i s t o r   b e c a us e   t h e   t ra n s i s t o r   ha s   a   v o l t a ge   a c r o s s   i t   w h i l e   t h e   c u rr e nt   f l o w s   t hr o ug h   i t .   T h e   d i s s i pa t e po w e r   d e pe n ds   o n l y   o n   t h e   l o a c a pa c i t a n c e ,   n o t   o t h e   t r a n s i s t o r   o t h e   s p e e a t   w hi c h   t h e   g a t e   s w i t c h e s .   W h e n   t h e   i n put   s w i t c h e s   f r o m   t o   1,   t h e   P M O S   t ra n s i s t o t u rn s   o f f ,   a n d   t h e   N M O S   t ra n s i s t o r   i s   t u rn e O N ,   di s c ha r g i n g   t h e   c a pa c i t o r .   T h e   e n e r gy   s t o r e i n   t h e   c a pa c i t o i s   d i s s i pa t e i n   t h e   N M O S   t ra n s i s t o r,   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   4 .   N o   e n e rgy   i s   dr a w n   f r o m   t h e   po w e r   s uppl y   i t hi s   c a s e .   T h e   dy n a m i c   po w e r   d i s s i pa t i o c a b e   c a l c ul a t e d   a s   f o l l ow s :     P D y n a m i c   =            2       (4)     W h e r e :     =   S w i t c hi n g   ac t i v i t y   C L   =   L o a di ng  c a p a c i t a n c e   V DD   =   P ow e r   s uppl y   f cl k   =   Cl o c f r e que n c y           F i gu r e   4 .   D y n a m i c   po w e r   di s s i p a t i o i CM O S   i n v e r t e r       If   t h e   dy n a m i c   po w e r   d i s s i pa t i o i s   r e duc e by   us i n g   c l o c g a t i n g   t e c hn i q ue s   a nd   t ra n s i s t o s l e e m o de .   l o w e r   s uppl y   vo l t a ge   unt i l   t h e   c i r c ui t   f u n c t i o n s   a s   i nt e n de d .   po w e r - do w n   m o de   i n   o r de r   t o   m i ni m i z e   f r e que n c y   a s   m uc a s   po s s i b l e   w i t h o ut   s i g n i f i c a n t l y   c o m pr o m i s i ng  pe r f o r m a n c e .   S h o rt   c i r c ui t   po w e r   i s   o n e   c o m po n e nt   o f   d y n a m i c   po w e r .   W h e n   a   g a t e   s w i t c h e s   a t   t h e   i n pu t ,   i t   ha ppe n s   i n   CM O S .   W h e a   di r e c t   pa t e xi s t s   b e t w e e n   V D D   a n d   G N D   a n d   b o t h   P M O S   a n d   N M O S   a r e   o pe r a t i o n a l   f o r   a   b r i e f   pe r i o d   o f   t i m e .   T e m po r a r y   s pi ke s   i t h e   c u rr e n t   w i l l   o c c ur   d u r i n g   t hi s   s c e na r i o ,   a s   de pi c t e i t h e   F i gu r e   5 .   T h e   go a l   o f   s h o r t - c i r c ui t   po w e r   m i ni m i z a t i o i s   t o   i n c r e a s e   t h e   c i r c u i t ' s   o v e r a l l   de pe n da b i l i t y   a nd   e f f i c i e n c y .   In t e g r a t e c i r c ui t s   a r e   de s i g ne t o   r e duc e   t h e   e f fe c t s   of   s h o r t - c i r c ui t   po w e r   t hr o ugh  t h e   us e   o f   s t r a t e gi e s   s uc h   t r a n s i s t o s i z e ,   l o gi c   r e s t r u c t uri n g ,   a n d   dy n a m i c   po w e r   m a na ge m e n t .   T h e   f i ni t e   de l a y   of   t h e   ga t e s   r e s ul t s   i n   t h e   ge n e ra t i o n   o f   gl i t c h i n g   po w e r ,   w h i c h   i s   t h e   t hi r f o r m   o d y n a m i c   po w e r   di s s i pa t i o n.   G l i t c hi n i s   w o r t m e n t i o ni n g   h e r e   s i n c e   i t   c a n   b e   a   m a j o r   s o ur c e   o f   s i gn a l   a c t i v i t y   a nd  i s   d i r e c t l y   pr o po r t i o n a l   t o   t h e   num b e o f   o ut put   t r a n s i t i o n s   o f   a   l o gi c   ga t e .   W h e r o ut e s   i t h e   ci r c ui t   c o n v e r ge   a t   t h e   s a m e   po i n t   b ut   h a v e   di f f e r e n t   p r o pa g a t i o de l a y s ,   gl i t c h e s   f r e que n t l y   h a ppe n.   G l i t c h e s   ha ppe n   w h e n   t h e   i n p ut   s i g n a l s   t o   a   c e r t a i l o gi c   b l o c a rri v e   a t   d i f fe r e nt   t i m e s ,   l e a d i n t o   a   s e r i e s   o Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   41 ,   N o .   2 F e b r ua r y   20 26 4 78 - 493   482   i n t e r m e di a t e   t ra n s i t i o n s   o c c ur ri n g   b e fo r e   t h e   l o gi c   b l o c k' s   o ut put   s t a b i l i z e s .   P o w e r   d i s s i pa t i o f r o m   t h e s e   e xt ra   t r a n s i t i o n s   i s   r e f e rr e t o   a s   t h e   gl i t c h i ng  po w e r .   A l l   po w e r   l o s s e s   i n   t ra di t i o na l   CM O S   c i r c ui t s   a r e   a s s o c i a t e w i t h   dy n a m i c   (P dy n s h o r t   c i r c ui t   (P s c )   a n l e a k a ge   po w e r   (P l e a k)   a s   s h o w n   i n   (5).     P   t o t a l   =   P   D y n a mi c   +   P   s h o r t   c i r c u i t   +   P   S t a t i c     (5)                                   = C L V dd     F c l k   +   I sc V dd   +   I l e a k     V dd     (6)           F i gu r e   5 .   S h o rt   c i r c u i t   po w e r   d i s s i pa t i o n       2. 3 .     S i gn i f i c an c e   o l o w   p o w e r   m e d i c a l   d e v i c e s   L ow - p ow e r   de s i g i m e di c a l   de v i c e s   i s   o f   s i gni f i c a n t   i m po r t a n c e   a n d   r e l e v a n c e   due   t o   s e v e r a l   c r i t i c a l   f a c t o r s   i n   t h e   h e a l t h c a r e   i n dus t r y .   H e r e   a r e   s o m e   r e a s o n s   w h y   l ow - pow e r   de s i g n   i s   c r uc i a l   f o r   m e di c a l   de v i c e s :   M a n y   m e di c a l   de v i c e s ,   e s pe c i a l l y   t h o s e   de s i gn e f o r   i m pl a nt a b l e   a n w e a ra b l e   a ppl i c a t i o n s ,   r e l y   o n   b a t t e ri e s   fo r   po w e r .   L ow - pow e r   de s i g n   e xt e n ds   t h e   b a t t e r y   l i f e   of   t h e s e   de v i c e s ,   r e duc i n g   t h e   f r e que n c y   of  b a t t e r y   r e pl a c e m e nt s   a n d   e nh a n c i ng   t h e   l o nge v i t y   of   t h e   de v i c e ' s   o pe r a t i o n .   P r o l o n ge d   b a t t e r y   l i f e   i s   e s s e nt i a l   fo r   i m p l a nt a b l e   m e di c a l   de v i c e s   s uc a s   p a c e m a ke r s ,   n e u r o s t i m u l a t o r s ,   a n d   i n s ul i pum ps ,   m i n i m i z i ng  t h e   n e e f o r   i n v a s i v e   p r o c e dur e s   t o   r e pl a c e   t h e   po w e r   s o u r c e .   L ow - p ow e r   de s i g e na b l e s   t h e   de v e l o pm e n t   o i m p l a nt a b l e   a nd  w e a ra b l e   de v i c e s   t ha t   c a n   c o nt i n uo us l y   m o n i t o r   h e a l t p a r a m e t e r s   w i t h o ut   c a us i n g   di s c o m fo r t   o r   a dv e r s e   e ffe c t s   [ 8 ] .   L ow - p ow e r   de s i gn  i s   c r uc i a l   f o r   m e di c a l   i m a g i n de v i c e s   t h a t   i n c o r po r a t e   w i r e l e s s   c o m m u n i c a t i o t e c hn o l o gi e s ,   s uc a s   W i - F i   o B l ue t o o t h .   R e duc e po w e r   c o n s um p t i o i c o m m uni c a t i o n   m o dul e s   e n s u r e s   e ff i c i e n t   d a t a   t ra n s f e r   w i t h o ut   d ra i ni n g   t h e   de v i c e ' s   pow e r   s o ur c e   [ 9 ] .       3.   LO W   P O WER   D ES I G N   S TR A TE G I ES   L ow - p ow e r   a pp r o a c h e s   r e duc e   pow e r   c o n s um p t i o i e l e c t r i c a l   s y s t e m s   a nd  c i r c ui t s   w i t h o ut   c o m pr o m i s i n f u n c t i o n a l i t y .   I n   m a n y   do m a i n s ,   l o w   p ow e r   i s   a c hi e v e us i n a   v a r i e t y   of   t a c t i c s   a n d   a pp r o a c h e s   [1 0 ] .   T h e   f o l l ow i n a r e   s o m e   t y pi c a l   l o w - pow e r   s t ra t e gy   t y pe s   i s   s h o w n   i F i gu r e   6 .           F i gu r e   6 .   L o w   pow e r   t e c hni que s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52         A n   i n v e s t i ga t i on  o f   di f f e r e nt   l ow - po w e r   c i r c ui t s   and   e nhan c e e n e r gy   e f f i c i e n c y   i m e di c al     ( P r abhu  R . )   483   3. 1 .     D e c r e as e   i n   p o w e r   at   th e   l e v e l   o ar c h i t e c tu r e   T h e   a r c h i t e c t u r e   l e v e l   of   l ow - pow e r   V L S de s i g n   i n v o l ve s   c o n s i de ra t i o n s   a nd  t e c hn i que s   a t   t h e   s y s t e m   o r   c h i p   a r c hi t e c t u r e   l e v e l   t o   a c hi e v e   e n e r gy   e ff i c i e n c y   a n d   m i n i m i z e   po w e r   c o n s um p t i o n.   P o w e r   m a na ge m e n t   s t r a t e gi e s   t h a t   s h ut   do w n   unus e b l o c k s .   L ow - p ow e r   s y s t e m s   us i n p i pe l i ni n g ,   p a r a l l e l i s m ,   Cl o c a n d   po w e r   g a t i n g .   a)   Cl o c ga t i n g :   c l o c ga t i ng  i s   t h e   p r o c e s s   of   s e l e c t i ve l y   c ut t i n g   o ff   t h e   c l o c s i g na l   t o   p a r t i c ul a c i r c ui t   s e gm e n t s   w h e t h e r e   i s   l i t t l e   t o   n o   a c t i v i t y .   A c t ua l l y ,   i t   p r e v e n t s   n e e dl e s s   c l o c t o ggl i ng  i n   t h e   c i r c ui t ' s   i dl e   s e c t i o n s ,   w h i c h   l o w e r s   dy n a m i c   po w e r   us a ge   a s   s h o w n   i F i gu r e   7 .   W e l l ,   i t   f o c us e s   pr i m a ri l y   o d y n a m i c   po w e r ,   w h i l e   a di a b a t i c   l o gi c   s e e ks   t o   m a xi m i z e   e ne r gy   e ff i c i e n c y   ov e r a l l ,   t a k i n i n t o   a c c o un t   bo t s t a t i c   a n d   dy n a m i c   po w e r .           F i gu r e   7 .   C l o c ga t i n g   f o r   po w e r   r e duc t i o n       b)   P ow e r   g a t i n g:   po w e r   g a t i n g   i n v o l v e s   c o m pl e t e l y   t urni n o f po w e r   t o   c e rt a i c i r c ui t   b l o c ks   w h e n   t h e y   a r e   n o t   a c t i v e l y   pr o c e s s i n da t a .   T hi s   t e c hni que   h e l ps   m i ni m i z e   s t a t i c   po w e r   c o n s um p t i o a s   s h o w n   i F i gu r e   8.   If   s l e e p = 0,   t h e   P M O S   a n N M O S   b o t h   s l e e t ra n s i s t o r s   a r e   O N .   S o ,   t h e   n o rm a l   i n v e r t e r   o pe r a t i o n   i s   do n e .   W h e n   s l e e =   1 ,   t h e   s l e e t r a n s i s t o r s   a r e   O F F .   S o ,   t h e r e   i s   n o   di r e c t   pa t f r o m   po w e r   ra i l s   t o   g r o un d ,   a n d   h e n c e   n o   l e a k a ge   o f   po w e r   i s   d i s s i pa t e due   t o   t h e   pu l l - up   a n d   pul l - do w n   n e t w o r ks .   A l t h o ug a d i a b a t i c   l o gi c   a nd  s t a n d a r d   po w e r   g a t i ng   h a v e   s i m i l a go a l s ,   a d i a b a t i c   l o gi c   f o c us e s   o n   r e c ov e r i n e n e r gy   duri n g   t ra n s i t i o n s   [1 1 ] .           F i gu r e   8 .   P o w e r   ga t i n g       c)   V o l t a ge   s c a l i n g:   dy n a m i c   v o l t a ge   a nd  f r e que n c y   s c a l i ng  (D V F S i n v o l v e s   a dj us t i n g   t h e   o pe ra t i ng   vo l t a ge   a nd  f r e que n c y   b a s e o n   t h e   w o r kl o a d.   L ow e r i ng  t he   vo l t a ge   du ri n g   pe r i o ds   o f   l ow e r   a c t i v i t y   h e l ps   r e duc e   po w e r   c o n s um p t i o n   [1 2 ] W hi l e   a di a b a t i c   l o gi c   i s   m o r e   f o c us e o n   e n e r gy   r e c ove r y   dur i ng   t r a n s i t i o n ,   dy n a m i c   o pt i m i z a t i o n   s ha r e s   t h e   s a m e   o b j e c t i ve   but   f un c t i o n s   a t   a   di f f e r e n t   l e v e l   (vo l t a ge   a nd  f r e que n c y   s c a l i n g) .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   41 ,   N o .   2 F e b r ua r y   20 26 4 78 - 493   484   3. 2 .     D e c r e as e   i n   p o w e r   at   th e   l e v e l   o l o gi c / c i r c u i t   P ow e r   c o n s um pt i o n   i s   r e duc e i n   l o w - p ow e r   V L S de s i gn s   a t   b o t h   t h e   l o gi c   a nd  c i r c ui t   l e v e l s .   U s i n g   l o gi c   o pt i m i z a t i o l e s s e n s   t h e   s w i t c hi n a c t i v i t y .   Cl e v e r   c i r c ui t r y   t ha t   m i ni m i z e s   i nt e rn a l   s w i n g   a n d   t h e   n u m b e o f   de v i c e s .   A di a b a t i c   c i r c ui t s   a r e   c o n s i de r e d   a   l o gi c - l e v e l   t e c hni que   b e c a us e   t h e y   o pe r a t e   a t   t h e   di gi t a l   l o gi c   l e v e l ,   i n f l ue n c i n t h e   w a y   l o gi c   ga t e s   a n d   c i r c ui t s   pe r f o r m   t h e i f unda m e nt a l   o pe ra t i o n s .   a)   M ul t i   v o l t a ge   de s i g n:   i t   us e s   m ul t i pl e   v o l t a ge   do m a i n s   i a   s y s t e m ,   a l l o w i n d i f f e r e n t   b l o c ks   o r   c o m po n e n t s   t o   o pe r a t e   a t   di f f e r e n t   v o l t a ge   l e v e l s .   E na b l e s   f i n e c o n t r o l   o v e r   pow e r   c o n s um pt i o n ,   a l l o w i n g   l o w - pow e r   o pe r a t i o i s pe c i f i c   c i r c ui t   s e c t i o n s   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   9 .   I t   c o m pl e m e n t s   a di a b a t i c   l o gi c   by   pr o v i di n f i n e c o n t r o l   o v e r   po w e r   c o n s um pt i o i d i f fe r e nt   a r e a s ,   e s pe c i a l l y   w h e c o m b i n e w i t dy n a m i c   v o l t a ge   s c a l i n g   [1 3 ] .           F i gu r e   9 .   M u l t i pl e   v o l t a ge   de s i g t e c hn i q ue s       b)   T r a n s i s t o s i z i n g :   t ra n s i s t o r   s i z i n g   i s   a   c r uc i a l   a s pe c t   o f   di gi t a l   c i r c u i t   de s i g n,   a n d   i t   i n v o l v e s   de t e r m i n i ng  t h e   p h y s i c a l   di m e n s i o n s   o f   t ra n s i s t o r s   w i t h i t h e   c i r c ui t .   T h e   s i z e   o f   t r a n s i s t o r s   s i g n i f i c a nt l y   i n f l ue n c e s   t h e   pe r f o r m a n c e   a n d   c ha r a c t e r i s t i c s   o f   t h e   c i r c ui t ,   i n c l ud i n g   s pe e d,   po w e r   c o n s um p t i o n ,   a n d   a r e a .   I di gi t a l   CM O S   t e c hn o l o g y ,   w h i c h   i s   w i de l y   us e fo r   i nt e g r a t e c i r c ui t s ,   t ra n s i s t o r   s i z i ng  i s   pa r t i c ul a rl y   i m po r t a nt .   T h e   a d i a b a t i c   l o gi c   i s   m o r e   c o n c e n t ra t e   o n   po w e r   di s s i p a t i o n   [1 4 ]     3. 3 .     D e c r e as e   i n   p o w e r   at   th e   p h ys i c al   d e s i gn   l e v e l   O pt i m i z i n g   c o m po n e n t   a rra n ge m e nt   a n c o nn e c t i v i t y   t o   r e duc e   pow e r   c o n s um p t i o n   w h i l e   s a t i s fy i n g   pe r f o r m a n c e   a n d   s pa c e   r e qui r e m e n t s   i s   k n o w n   a s   p h y s i c a l   de s i g n   po w e r   r e duc t i o n.   a)   P l a c e m e n t   a n d   r o ut i n g pl a c e m e n t   a nd  r o ut i n g   de t e rm i n e   t he   ph y s i c a l   a rr a nge m e nt   a nd  c o nn e c t i o n s   o c o m po n e n t s   o n   a   c h i p .   It   i n v o l ve s   de t e r m i ni n t h e   o pt i m a l   l o c a t i o n   f o r   e a c h   b l o c t o   m e e t   de s i gn   go a l s   s uc h   a s   pe r f o r m a n c e ,   a r e a ,   a n po w e r   c o n s um pt i o n.   I t   i s   o pt i m i z e f o r   s i g n a l   t i m i n g ,   a nd  b a l a n c e   pow e r   a n t h e r m a l   c o n s i de r a t i o n s .   b)   P ow e r   de l i ve r y   n e t w o r ( P D N ) t h e   P D N   i s   a   c r u c i a l   a s p e c t   of   c h i de s i gn   r e s p o n s i b l e   fo r   s uppl y i n pow e r   t o   a l l   t h e   f un c t i o n a l   b l oc k s   o n   t h e   c h i p.   It   c o n s i s t s   of   p ow e r   gr i ds   a n di s t r i b ut i o n   n e t w o r k s .   M i n i m i z e   vo l t a g e   dr op,   c o n t r o l   n o i s e ,   a n e n s ur e   s t a b l e   a n r e l i a b l e   pow e r   d e l i ve r y   t o   a l l   c o m p o n e n t s   [1 5 ]   c)   Cl o c t r e e   s y n t h e s i s :   c l o c t r e e   s y n t h e s i s   i s   a   p r o c e s s   i d i gi t a l   c i r c ui t   de s i g t ha t   i n v o l v e s   t h e   ge n e ra t i o o f   a   c l o c di s t ri b ut i o n e t w o r k.   T h e   go a l   i s   t o   e ff i c i e n t l y   de l i v e r   c l o c s i g n a l s   t o   a l l   s e que n t i a l   e l e m e nt s   (f l i p - f l o ps ,   r e gi s t e r s o n   t h e   c h i p .   M i ni m i z e   c l o c s ke w   (v a r i a t i o n   i a rri v a l   t i m e s   of  c l o c s i gn a l s ),   b a l a n c e   l o a ds   o di f f e r e n t   b ra n c h e s ,   a n d   e n s u re   s t a b l e   a n d   r e l i a b l e   c l o c s i g n a l s .   In  c o n c l us i o n,   a d i a b a t i c   l o gi c   d i f f e r s   f r o m   c o n v e n t i o n a l   l o w - p ow e r   a pp r o a c h e s   i t h a t   i t   s t r o ngl y   e m pha s i z e s   e n e r gy   r e c ov e r y   duri n g   t r a n s i t i o n s .   D e pe ndi n g   o n   t h e   u n i q ue   n e e ds   a n d   f e a t u r e s   o f   t h e   i nt e n de d   a ppl i c a t i o n ,   a   t e c hn i que   o c o m b i n a t i o o f   m e t h o ds   m a y   b e   c h o s e n .       4.   A D I A B A TI C   L O G I C   O P ER A TI O N   A a pp r o a c t o   di g i t a l   l o gi c   c i r c u i t   de s i g c a l l e a di a b a t i c   l o gi c   l o w e r s   e n e r gy   l o s s   du r i ng  t h e   O N   a n O F F   s w i t c h i ng  o f   l o gi c   ga t e s .   It   o ri gi na t e s   f r o m   t h e   t h e rm o d y n a m i c   c o n c e pt   o f   a di a b a t i c   p r o c e s s e s ,   w h i c a r e   e n e r gy   t r a n s f e r s   w i t h o ut   t h e   n e e f o r   h e a t   e xc ha n ge .   A di a b a t i c   l o gi c   a c hi e v e s   i t s   l o w - pow e r   c h a ra c t e ri s t i c s   b y   pr e c i s e l y   c o n t r o l l i ng  e n e r gy   f l uxe s   w i t hi n   di gi t a l   c i r c ui t r y .   A di a b a t i c   l o gi c   i s   a   di gi t a l   l o gi c   de s i g n   p r o c e s s   t h a t   us e s   s pe c i a l i z e t e c hn i que s   t o   r e c ov e r   a n r e c y c l e   e n e r gy   t ha t   i s   ge n e ra l l y   w a s t e a s   h e a t   du r i ng  s w i t c hi n e v e n t s ,   l o w e r i n g   e n e r gy   c o n s um pt i o du r i ng  t h e   o pe r a t i o o f   di gi t a l   c i r c ui t s .   T h e   a d i a b a t i c   o pe ra t i o n   p r i nc i pl e   h a s   u nde rgo n e   s i g ni f i c a n t   de s i g n   r e v i s i o n s .   E a c h   p ha s e   o f   t h e   po w e r   c l o c de t e rm i n e s   t w o   b a s i c   de s i gn   p ri n c i pl e s   f o r   a di a b a t i c   c i r c u i t s .     T r a n s i s t o r s   s h o ul d   n e v e r   b e   t u rn e O N   w h e n   v o l t a ge   i s   a ppl i e f r o m   t h e   s o ur c e   t o   t h e   d ra i n .     T r a n s i s t o r s   s h o ul d   n e v e r   b e   t u rn e o f f   w h i l e   c u rr e n t   i s   f l o w i n g   t hr o ug t h e   c i r c ui t .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52         A n   i n v e s t i ga t i on  o f   di f f e r e nt   l ow - po w e r   c i r c ui t s   and   e nhan c e e n e r gy   e f f i c i e n c y   i m e di c al     ( P r abhu  R . )   485   N ow   l e t ' s   l o o a t   t h e   s i m p l i f i e r e s i s t i v e - s w i t c h   n e t w o r s h o w n   i F i gu r e   10.   E c u rr  =   IR   CV   r e p r e s e n t s   t h e   e n e r gy   di s s i pa t i o n   t hr o ug h o ut   t h e   c h a rgi n g   p ro c e s s   b e c a us e   t h e   c o n s t a nt   s upp l y   v o l t a ge   l e v e l ,   V ,   ha s   b e e n   r e p l a c e by   a   c o n s t a n t   c u rr e n t   s o ur c e ,   I.   T h e   v o l t a ge   d r o p   a c r o s s   t h e   s w i t c i s   IR .   I,   t h e   c ha r g i n c urr e n t ,   i s   de t e r m i n e b y   di v i di n g   CV   by   T ,   t h e   c h a r g i n g   t i m e   r e qui r e d   t o   c h a rge   f r o m   0   t o   V   [1 6 ] .     The   V o l t a g e   a c r o ss   the   sw i t c h   =   IR   (7)     P ( t )   = 2   R   (8)     E n e r g y   d u r i n g   c h a r g e   ( E )   =   ( 2   R )   T   (9)     A l so   Q   =   CV , So   Q   =     V DD , I   = CV T   (10)     T   = CV I   (11)     E   =   ( 2   R ) T , = 2 2 R T   (12)     W h e r e     E   =   e n e r gy   l o s t   w h i l e   t h e   de v i c e   w a s   c h a rgi ng.   Q   =   t ra n s m i s s i o n   o f   c h a r ge   t o   t h e   l o a d .   C=   t h e   c a p a c i t a n c e ' s   v a l ue .   R =   r e s i s t a n c e   w h e t h e   M O S   s w i t c i s   a c t i v a t e d.   V =   u l t i m a t e   v o l t a ge   a t   t h e   l o a v a l ue .   T =   t h e   a m o u n t   o f   t i m e   n e e de t o   c h a rge .           F i gu r e   10 .   A d i a b a t i c   s w i t c hi n g   c i r c ui t s       If   t h e   c h a rgi n g   pe ri o T   e xc e e ds   2R C,   l e s s   e n e r gy   i s   di s s i p a t e d   t ha i t h e   t r a di t i o na l   s c e n a ri o .   I o t h e w o r ds ,   by   l e n gt h e n i ng   t h e   c h a r g i n g   pe r i o d,   t h e   e xpe n de e n e r gy   c a b e   a r b i t r a ri l y   r e duc e d.   F urt h e rm o r e ,   i c o n t r a s t   t o   t h e   t r a di t i o na l   s c e na ri o   w h e r e   t h e   di s s i p a t i o n   i s   de pe n de n t   o n   t h e   c a p a c i t a n c e   a nd  t h e   v o l t a ge   s w i n g ,   t h e   di s s i pa t e e n e r gy   i s   p r o po r t i o na l   t o   R .   A s   a   r e s ul t ,   de c r e a s i n g   t h e   P M O S   n e t w o r k' s   o n - r e s i s t a n c e   w i l l   l o w e r   i t s   e n e r gy   di s s i pa t i o n.   A di a b a t i c   l o gi c   us e s   a   po w e r   c l o c t o   c o nt r o l   t h e   c h a rgi n g   a n d   di s c ha r gi n o f   t h e   c i r c ui t ' s   c a pa c i t i v e   n o de s ,   a l l o w i n g   f o r   a d i a b a t i c   s w i t c h i ng.   T h e s e   s t a ge s ,   a s   s e e i   F i gu r e   11 ,   r e f l e c t   di f f e r e n t   de pt h s   a t   w hi c s pe c i f i c   t a s ks   a r e   pe r f o r m e d   [1 7]           F i gu r e   11 .   A d i a b a t i c   t ra pe z o i da l   w a v e fo r m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52   In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i ,   V o l .   41 ,   N o .   2 F e b r ua r y   20 26 4 78 - 493   486     E v a l ua t e :   t h e   po w e r   s uppl y   i n c r e a s e s   g r a dua l l y   f r o m   l ow   t o   h i g h ,   t h e   i n p ut s   s t a y   c o n s t a n t ,   a nd  t h e   o ut put   f o l l ow s   t h e   po w e r   s upp l y   t o   be c o m e   v a l i b a s e o t he   o ut c o m e   o f   t h e   p r e - e v a l ua t i o n.     H o l d:   t h e   po w e r   s upp l y   r e m a i n s   h i g t o   ke e t h e   o ut pu t   v a l i a n d   p r o v i di n g   t h e   c o n s t a n t   i n pu t   f o r   t h e   n e xt   s t a ge   i t h e   a d i a b a t i c   p i pe l i n e .   I n p ut s   a l s o   c o m e   b a c t o   z e r o .     R e c o ve r :   t h e   po w e r   s o ur c e   s hut s   o f f   a ga i n .   C r o s s - c o upl e P - M O S F E T s   e na b l e   c ha r ge   s t o r e i n   t h e   n o de   c a pa c i t a n c e   t o   f l ow   b a c t o   t h e   po w e r   s o ur c e   w h e n   t h e   z e r o   i n p ut   c l o s e s   t h e   c h a nn e l   t o   t h e   g r o u n d.     W a i t :   po w e r   s uppl y   i n i t i a l l y   r e m a i n s   a t   z e r o ,   i nput s   b e c o m e   l e gi t i m a t e ,   e v a l ua t i o l o gi c   p r o duc e s   a   p r e - e v a l ua t e r e s ul t ,   a n d   l o w   vo l t a ge   o ut pu t   i s   p r o duc e d.     4. 1 .     A d i ab at i c   l o gi c   s tr u c tu r e s   T h e r e   a r e   t w o   t y pe s   of   a di a b a t i c   l o gi c   s t r uc t u r e s .   a)   P a rt l y / qua s i   a d i a b a t i c   l o gi c   Ci r c ui t s   t ha t   a r e   a l m o s t   a d i a b a t i c :   s o m e   c h a r ge   i s   m o v e t o   t h e   e a rt a n d   s o m e   h e a t   i s   r e l e a s e d.   T h e r e f o r e ,   o nl y   a   po r t i o o f   t h e   e n e r gy   m a y   b e   r e c ove r e d;   n o n e t h e l e s s ,   c o m pa r e t o   f ul l y   a di a b a t i c   l o gi c   c i r c ui t s ,   t h e s e   c i r c ui t s   a r e   s i m pl e r   t o   i m p l e m e n t .   T h e   f o l l o w i n a r e   e x a m p l e s   o f   p o pul a r   p a r t l y   a di a b a t i c   f a m i l i e s .     E f f i c i e n t   c h a r ge   r e c o ve r y   l o gi c   (E CR L )     2N - 2N 2P   a di a b a t i c   l o gi c     P o s i t i v e   f e e db a c a di a b a t i c   l o gi c   (P F A L )     NM OS  e n e r gy   r e c ove r y   l o gi c   (N E R L )     Cl o c ke a di a b a t i c   l o gi c   ( CA L )     T r ue   s i n g l e - p h a s e   a di a b a t i c   l o gi c   (T S E L )     S o ur c e - c o upl e a di a b a t i c   l o gi c   (S CA L )   b)   F ul l y   a di a b a t i c   l o gi c   T h e   l o a d   c a pa c i t a n c e   r e c o ve r s   a l l   o f   i t s   c h a r ge s   a nd   p r o v i de s   f e e d b a c t o   t h e   po w e r   s o u r c e   i f ul l y   a di a b a t i c   c i r c ui t s .   T hi s   m a ke s   f ul l y   a di a b a t i c   c i r c ui t s   m o r e   c o m pl e a n d   s l o w e r   t ha n   pa rt i a l   a d i a b a t i c   c i r c ui t s .     P a s s   t ra n s i s t o a di a b a t i c   l o gi c     S pl i t   r a i l   c h a r ge   r e c ov e r y   l o gi c   (S CR L )     4. 2 .     Eff i c i e n t   c h a r ge   r e c o v e r l o gi c   E CR L   i s   a   f o r m   o f   a d i a b a t i c   l o gi c ,   w h e r e   t h e   t e rm   " a di a b a t i c "   r e f e r s   t o   a   r e v e r s i b l e   t h e r m o dy n a m i c   pr o c e s s .   A di a b a t i c   l o gi c   a i m s   t o   m i n i m i z e   e n e rgy   di s s i pa t i o by   e n s uri n g   t ha t   t h e   c h a rgi n g   a nd  di s c ha r g i n g   of   c a pa c i t i v e   n o de s   a r e   a s   e n e r gy - e ff i c i e n t   a s   po s s i b l e .   T h e   p ri m a r y   go a l   o f   E CR L   i s   t o   r e c ov e r   a n d   e ff i c i e n t l y   r e us e   t h e   c h a rge s   s t o r e i t h e   l o a d   c a pa c i t a n c e ,   m i n i m i z i ng  e n e r gy   l o s s e s   a n i m p r o v i n g   t h e   ov e r a l l   e n e r gy   e ff i c i e n c y   o f   t h e   l o gi c   c i r c ui t s   s h o w n   i F i g u re   12   [18 ] .           F i gu r e   12 .   S c h e m a t i c   di a g r a m   o f   E CR L         T h e   t hr e e   p ha s e s   o f   a   c ha r gi ng   c y c l e   a r e :   a di a b a t i c   c ha r g i n g   ( m a na ge d   c ha r g i n g   o f   t h e   l o a c a pa c i t a n c e   w i t l o w   e n e r gy   di s s i pa t i o n ) ,   h o l ( m a i n t a i ni n g   t h e   v o l t a ge   a c r o s s   t h e   l o a d   c a p a c i t a n c e   w i t h o ut   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In do n e s i a J   E l e c   E ng  &   Co m S c i     IS S N :   2 5 0 2 - 4 7 52         A n   i n v e s t i ga t i on  o f   di f f e r e nt   l ow - po w e r   c i r c ui t s   and   e nhan c e e n e r gy   e f f i c i e n c y   i m e di c al     ( P r abhu  R . )   487   s i g n i f i c a n t   po w e r   di s s i pa t i o n ) ,   d i s c ha r g i n (e f f i c i e n t l y   t ra n s f e r r i ng  c h a rge s   f r o m   t h e   l o a d   c a pa c i t a n c e   t o   t h e   o ut put ),   a n d   r e c ov e r y   (s t o r i ng  r e c ov e r e c h a r ge s   f o r   us e   i t h e   s ub s e que n t   c h a rgi n g   c y c l e ).   E n e r gy - ha r v e s t i n g   a nd  l o w - pow e r   s y s t e m s   a r e   t w o   e xa m pl e s   of   a ppl i c a t i o n s   w h e r e   e n e r gy   e ff i c i e n c y   i s   c r i t i c a l   a n d   E CR L   i s   f r e que n t l y   t a ke n   i n t o   c o n s i de r a t i o n.   I t   c a n   b e   ut i l i z e i n   a   v a r i e t y   of   di gi t a l   c i r c ui t s ,   s uc h   a s   t h o s e   fo un i po r t a b l e   e l e c t r o n i c s ,   i n t e rn e t   o f   t hi n gs   ( Io T )   de v i c e s ,   a n d   b i o m e di c a l   e qui pm e n t .     4. 3 .     P o s i ti v e   fe e d b ac k   ad i ab ati c   l o gi c     PFAL   i s   a   s pe c i f i c   t y p e   of   a di a b a t i c   l o gi c   de s i g n   t ha t   e m pl oy s   pos i t i v e   fe e d b a c t o   e nh a n c e   t h e   e ff i c i e n c y   of   e n e r gy   t ra n s f e r   du r i ng  b o t h   t h e   c h a r g i n a n d   di s c h a r g i n p h a s e s   o f   a   di gi t a l   c i r c ui t .   T h e   po s i t i v e   f e e d b a c m e c ha n i s m   i s   c ruc i a l   f o r   a m p l i fy i n g   t h e   v o l t a ge   s w i n g   a c r o s s   t h e   l o a c a pa c i t a n c e ,   l e a di ng  t i m p r o v e e n e r gy   r e c o ve r y .   T h e   l o a c a pa c i t a n c e   c a b e   c h a rge u nde c o nt r o l   b y   t urni n g   o t h e   a di a b a t i c   c h a r g i n g   p ha s e .   B e y o n w h a t   w o ul b e   po s s i b l e   w i t s t ra i g ht f o r w a r d   c ha r gi ng,   t h e   v o l t a ge   o t h e   l o a d   c a pa c i t a n c e   i s   a m p l i f i e by   a ddi t i o n a l   t ra n s i s t o r s   o r   c o m po n e n t s   c r e a t i ng  a   po s i t i v e   fe e d b a c l oo p.   W h e n   t h e   s y s t e m   r e a c h e s   t h e   a d i a b a t i c   h o l p h a s e ,   n o   a p p r e c i a b l e   pow e r   di s s i pa t i o n   o c c ur s   a nd  t h e   v o l t a ge   a c r o s s   t h e   l o a d   c a pa c i t a n c e   i s   m a i nt a i n e d .   E na b l e t h e   di s c h a rge   p ha s e   t o   e ff e c t i v e l y   m ove   c h a rge s   f r o m   t h e   o ut pu t   c a pa c i t a n c e   t o   t h e   l o a d   c a pa c i t a n c e .   I n   t h e   r e c ov e r y   pha s e ,   a n y   l e f t ov e r   c h a rge s   a r e   e xt ra c t e a n s a v e fo r   l a t e us e   du ri n t h e   c h a rgi n g   c y c l e   s h o w n   i F i gu r e   13.           F i gu r e   13 .   S c h e m a t i c   di a g r a m   o f   P F A L         4. 4 .     C l o c k e d   ad i ab at i c   l o gi c   T h e   w o r ki n p r i n c i p l e   o f   c l oc ke a di a b a t i c   l o gi c   (CA L i nvo l ve s   s y n c hr o n o us   o pe r a t i o w i t h   t h e   a s s i s t a n c e   o f   a   c l o c s i gna l   (CX t o   c o n t r o l   a nd  c o o r di n a t e   t h e   c h a rgi n g ,   d i s c ha r g i n g ,   a nd  r e c o ve r y   pha s e s   of  t h e   d i gi t a l   c i r c ui t .   CA L   a i m s   t o   m i ni m i z e   e n e r gy   di s s i p a t i o du ri n g   t h e s e   p h a s e s ,   m a k i n g   i t   s ui t a b l e   f o l o w - pow e r   a pp l i c a t i o n s   s h o w n   i F i gu r e   14.           F i gu r e   14 .   S c h e m a t i c   di a g r a m   o f   CA L     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.